Schwerpunkte

Ständige Verbesserung

Zuverlässiger Einsatz von Halbleitern im Kraftfahrzeug

17. Dezember 2018, 13:00 Uhr   |  Von David W. Price, Douglas G. Sutherland und Jay Rathert


Fortsetzung des Artikels von Teil 1 .

Kontinuierliche Defekt-Reduzierung

Grundlage eines jeden Defekt-Reduktionsplans ist eine Inline-Fehlerstrategie. Erforderliche Bestandteile sind dabei ein geeignetes Prozesskontroll-Toolset als auch eine Inspektionsstrategie um die Fehler zuverlässig zu erkennen, die die Ausbeute und Zuverlässigkeit des Herstellungsprozesses beeinflussen. Die eingesetzten Defekt-Inspektionssysteme müssen dabei nachfolgende Kriterien erfüllen:

  • Erforderliche Detektionssensitivität
  • Spezifikationsgerechte Wartung
  • Abgestimmte Inspektionsparameter

Die Inspektionsstrategie wiederum muss für die Prozessschritte mit ausreichender Häufigkeit angewendet werden, um Prozess- oder Maschinenabweichungen umgehend zu kennzeichnen. Darüber hinaus sollten ausreichende Inspektionskapazitäten vorhanden sein, um einen Kontrollplan zu unterstützen, der nachfolgende Tätigkeiten im laufenden Fertigungsprozess zulässt:

Abweichungen erkennen Ursachen isolieren Risikobehaftete Chips zurückverfolgen

Damit ist eine erfolgreiche Strategie zur Defekt-Reduzierung möglich, die eine positive Entwicklung des Ausbeutetrends realisiert, Ziele für weitere Verbesserungen definiert und vergleichbare Best Practices bietet.

Überwachung des Prozess-Tools: Nach der Feststellung der Ausgangswerte des blanken Wafers mit einer „Vor“-Inspektion kann er durch einige oder alle Prozessschritte prozessiert werden.
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Bild 3. Überwachung des Prozess-Tools: Nach der Feststellung der Ausgangswerte des blanken Wafers mit einer »Vor«-Inspektion kann er durch einige oder alle Prozessschritte prozessiert werden. Die »Nach«-Inspektion zeigt Mängel, die durch das Prozesstool hinzugefügt wurden.

Im Rahmen eines Defekt-Reduzierungsplans liegt eine der größten Herausforderungen darin, die Herkunft eines Defekts zu analysieren. Hier ist eine Prozess-Tool Überwachungsstrategie erforderlich. In Prozess-Tool-Monitoring- oder Prozess-Tool-Qualification-Anwendungen wird ein unstrukturierter Wafer durch ein bestimmtes Prozesstool (oder eine Kammer) prozessiert und anschließend erneut überprüft (Bild 3). Alle Defekte, die bei der zweiten Inspektion auf dem Wafer zusätzlich gefunden wurden, müssen folgerichtig vom Prozesstool hinzugefügt worden sein – Quelle des Defekts.

Sollten Chip-Hersteller einen Null-Fehler-Standard verfolgen, ist eine Tool-Monitoring-Strategie erforderlich: Durch sensible Inspektionen, geeignete Kontrollgrenzen und Out-of-Control-Aktionsplänen werden die zufälligen Ausbeuteverluste vom Prozesstool aufgedeckt und abgestellt.

Kontinuierliche Verbesserung der Prozess-Tool-Sauberkeit im Laufe der Zeit. Darüber hinaus kann der Vergleich der Fehlerhaftigkeit zweier Prozess-Tools zeigen, welches System sauberer ist
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Bild 4. Kontinuierliche Verbesserung der Prozess-Tool-Sauberkeit im Laufe der Zeit. Darüber hinaus kann der Vergleich der Fehlerhaftigkeit zweier Prozess-Tools zeigen, welches System sauberer ist.

Die Anzahl der hinzugefügten Defekte wird über die Zeit protokolliert (Bild 4) und kann als Aufzeichnung der kontinuierlichen Verbesserung eingesetzt werden – auch zur Festlegung künftiger Fehlerreduzierungsziele.

Die Defekte jedes Prozess-Tools können für die Defektanalyse von Feldrückläufern in einer »Defektbibliothek« abgelegt und entsprechend klassifiziert werden. Der Ansatz erfordert mindestens eine tägliche Prozess-Tool-Qualifizierung und wird häufig in Verbindung mit einem Golden-Tool-Arbeitsablauf oder Dog-Tool-Programm verwendet.

Golden-Tool-Arbeitsablauf

Ein Golden-Tool-Arbeitslauf ist eine weitere Strategie, mit der Fabriken den von der Automobilindustrie geforderten Null-Fehler-Standard erreichen können. Bei dem Arbeitslauf oder Automotive-Work-Flow (AWF) durchlaufen die Wafer für die Chips die »besten« Prozess-Tools der Fabrik – das beste Prozess-Tool ist dabei vom jeweiligen Prozessschritt abhängig. Um herauszufinden, welches Prozesstool am geeignetsten ist, werden die Informationen der Inline- und Prozess-Tool-Überwachungskontrollen herangezogen. Die Beschränkung auf ein einziges Prozess-Tool bei jedem Prozessschritt kann die Zykluszeiten erhöhen, hat sich allerdings als der effizientere Weg herausgestellt. Alternativ prozessieren die Automotive-Wafer durch Prozessabläufe, die unter höheren Mängelraten leiden und zu Zuverlässigkeitsproblemen führen können.

In Verbindung mit einem methodischen kontinuierlichen Verbesserungsprogramm können die meisten Fabriken üblicherweise mehrere Prozesstools für AWF qualifizieren, indem sie vierteljährliche Ziele für die Mängelreduktion definieren. Da es sich dabei um eine aufwendigere Methode handelt, ist der Golden-Tool-Arbeitslauf am besten für Fabriken geeignet, bei denen nur ein kleiner Prozentsatz der Produktion an die Automobilindustrie geliefert wird. Für Automotive Halbleiterfabriken in der Großserienfertigung wird ein methodischeres kontinuierliches Verbesserungsprogramm empfohlen – beispielsweise das Dog-Tool-Programm.

Dog-Tool-Programm

Das Dog-Tool-Programm ist das Gegenteil eines Golden-Tool-Arbeitsablaufs und hat sich bei Fabriken bewährt. In jedem beliebigen Prozessschritt wird pro-aktiv zunächst das schlechteste Prozesstool (Dog-Tool) analysiert. Das identifizierte Dog-Tool wird anschließend aus dem Prozessschritt herausgenommen und überarbeitet, bis es besser als der Durchschnitt der übrigen Tools im Set ist. Der Vorgang wird dann solange wiederholt, bis alle Tools den gewünschten Mindeststandard erfüllen. Ein effektives Dog-Tool-Programm setzt allerdings voraus, dass die Halbleiterfabrik über eine methodische Tool-Überwachungsstrategie verfügt, um jedes Prozesstool in jedem Schritt individuell qualifizieren zu können. Das Qualifizierungsverfahren sollte mindestens täglich an jedem Prozesstool durchgeführt werden, um genügend Informationen zur Identifikation der besten und der schlechtesten Prozess-Tools zu erhalten – durch beispielsweise eine ANOVA- oder Kruskal-Wallis-Analyse. Ein Dog-Tool-Programm mit geplanten Instandsetzungszeiten der Prozesstools ist der schnellste Weg, um eine Halbleiterfabrik auf die Standards der Automobilindustrie zu bringen. Durch die Erhöhung der Ausbeute und Zuverlässigkeit verbessert die Strategie letztlich die Effizienz und Rentabilität der gesamten Fertigung.

Literatur

1 https://www.statista.com/statistics/277931/automotive-electronics-cost-as-a-share-of-total-car-cost-worldwide/
2 https://www.consumerreports.org/car-reliability-owner-satisfaction/consumer-reports-car-reliability-survey-2017/
3 Price and Sutherland, »Process Watch: The Most Expensive Defect, Part 2«, Solid State Technology, July 2015.
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6 Shirley, »A Defect Model of Reliability«, 33rd Annual International Reliability Symposium, Las Vegas, NV, 1995.
7 Kim et al., »On the Relationship of Semiconductor Yield and Reliability«, IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing, Vol. 18, No. 3, 2005.
8 Roesch, »Reliability Experience«, Published lecture #12 for Quality and Reliability Engineering ECE 510 at Portland State University, 2013. http://web.cecs.pdx.edu/~cgshirl/Quality%20and%20Reliability%20Engineering.htm
9 Shirley and Johnson, »Defect Models of Yield and Reliability«, Published lecture #13 for Quality and Reliability Engineering ECE 510 course at Portland State University, 2013. http://web.cecs.pdx.edu/~cgshirl/Quality%20and%20Reliability%20Engineering.htm
10 Kuper et al., »Relation between Yield and Reliability of Integrated Circuits: Experimental results and Application to Continuous Early Failure Rate Reduction Programs«, Proceedings of the International Reliability Physics Symposium (1996): 17-21.
11 Mann, »Wafer Test Methods to Improve Semiconductor Die Reliability«, IEEE Design & Test of Computers, vol. 25, pp. 528-537, November-Dezember 2008. https://doi.org/10.1109/MDT.2008.174

Die Autoren

David-W-Price- von KLA-Tencor
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David W. Price von KLA-Tencor.

Dr. David W. Price

ist Senior Director bei KLA-Tencor und verantwortlich für die Implementierung von Lösungen zur Prozesssteuerung in der Automobilindustrie. Dr. Price begann seine Karriere im Bereich Halbleiter vor 21 Jahren als Anwendungsingenieur bei KLA-Tencor. Seitdem war er in unterschiedlichen Positionen im Produkt- und Programmmanagement in den Bereichen Wafer-Inspektion und Corporate Marketing tätig. In seiner jetzigen Position arbeitet er mit Halbleiterfabriken, Automobilherstellern und Tier-1-Lieferanten zusammen, um neue Produkte zu entwickeln, die die Häufigkeit latenter Zuverlässigkeitsfehler in Halbleiterbauelementen reduzieren. Dr. Price promovierte im Maschinenbau an der University of Texas in Austin und hat über 60 Arbeiten in den Bereichen Wafer-Iinspektion, dielektrische Erwärmung und Thermodynamik veröffentlicht. Dr. Price ist Co-Autor des Process Watch Editorials im Solid State Technology Magazine.

Doug-Sutherland von KLA-Tencor
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Doug Sutherland von KLA-Tencor.

Dr. Douglas Sutherland

ist Principle Scientist bei KLA-Tencor und verantwortlich für die Optimierung von Stichprobenprogrammen. Dr. Sutherland begann seine Karriere im Bereich Halbleiter im Jahr 1994 als IBM Postdoc-Stipendiat und verbrachte später vier Jahre als Lithografie-Ingenieur bei Cypress Semiconductor, bevor er 2000 zu KLA-Tencor kam. Seitdem war er in unterschiedlichen Positionen im Produkt- und Programmmanagement in den Bereichen Global Service und Corporate Marketing tätig. Dr. Sutherland promovierte im Bereich Chemie an der University of Western Ontario und hat über 60 Arbeiten in den Bereichen Wafer-Inspektion, EUV-Spektroskopie von Siliziumoberflächen, Katalyse und Reaktionsdynamik in dünnen Polymerfilmen veröffentlicht. Dr. Sutherland ist Co-Autor des Process Watch Editorials im Solid State Technology Magazine.

Jay-Rathert von KLA-Tencor
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Jay Rathert von KLA-Tencor.

Jay Rathert

ist Senior Director bei KLA-Tencor. Derzeit ist er verantwortlich für die strategische Zusammenarbeit mit Partnerunternehmen entlang der Lieferkette. Zusammen mit Dr. Price leitet er die Automotive-Strategie von KLA-Tencor, wobei er sich auf Zero-Defect-Lösungen konzentriert. Herr Rathert ist Absolvent der Duke University und bekleidete bereits verschiedene Marketing-, Vertriebs- und technische Führungspositionen.

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